Un dispositivo de terapia fotodinámica construido internamente y basado en diodos emisores de luz para mejorar la citotoxicidad de la verteporina en un modelo de cultivo celular 2D

Entre las enfermedades no transmisibles más letales, el cáncer representa una de las principales causas mundiales de muerte prematura. Representó casi 10 millones de muertes en 2020, lo que representa aproximadamente una de cada seis muertes en todo el mundo¹. Además, el fenómeno de la resistencia a múltiples fármacos (MDR) representa una tremenda amenaza para la salud pública, ya que los protocolos quimioterapéuticos aprobados no alcanzan las etapas de remisión para esta condición clínica². Las células cancerosas pueden desarrollar resistencia a la quimioterapia a través de varios mecanismos; sin embargo, la sobreexpresión de algunos transportadores de casetes de unión a ATP (ABC) – bombas de eflujo dependientes de ATP – se considera la principal causa del desarrollo de MDR dentro de un microambiente tumoral³. Además de la MDR, otras complicaciones del cáncer, como la recurrencia y la metástasis, refuerzan la demanda urgente de desarrollar y mejorar los enfoques terapéuticos para superar este desafío oncológico.

La utilización curativa de la luz se ha practicado durante siglos⁴, y la terapia fotodinámica (TFD) representa un enfoque terapéutico clínicamente aprobado para tumores sólidos. La TFD combina la administración de un fotosensibilizador (PS) seguido de irradiación lumínica para generar especies reactivas de oxígeno (ROS) para ejercer citotoxicidad selectiva en las células tumorales. Este enfoque terapéutico es superior a los métodos convencionales, incluyendo cirugía, radiación y quimioterapia⁵; Es una técnica mínimamente invasiva que muestra menor citotoxicidad en los tejidos conectivos⁶. La aplicación ligera y la acumulación de PS directamente en el tumor o su microambiente aseguran una focalización precisa y, en consecuencia, efectos secundarios sistémicos menores e indeseables⁷ y la posibilidad de repetir el tratamiento en el mismo sitio. Además, el costo es menor que el de otros enfoques. Debido a sus características prometedoras, la TFD puede ser considerada una opción apropiada tanto para el tratamiento del cáncer único, especialmente en el caso de tumores inoperables, como para el tratamiento adyuvante^{del cáncer 7}, y representa una alternativa para la MDR relacionada a la quimioterapia ^8,9.

El primer informe que muestra una alta tasa de respuesta objetiva utilizando PDT se describió en 1975 en un modelo de ratón y rata¹⁰. Desde entonces, se han realizado estudios con TFD con resultados positivos⁷ tanto in vivo como in vitro con líneas celulares tumorales humanas en cultivo celular 2D^11,12. Teniendo en cuenta la amplia aplicabilidad de la PS clínicamente aprobada, independientemente de sus vías de acumulación específicas y rangos de longitud de onda de los picos de absorción, el proceso general es el siguiente: (i) captación de PS, (ii) pico de concentración de PS en el tumor o su microambiente, (iii) aplicación de luz, (iv) interacción PS-luz, (v) transferencia de energía en estado excitado PS a cualquier sustrato tisular o moléculas de oxígeno circundantes, (vi) producción de ROS que involucra oxígeno singlete o anión superóxido, (vii) muerte de células tumorales a través de, esencialmente, necrosis o apoptosis (muerte directa), autofagia (mecanismo citoprotector), isquemia tisular (daño vascular), modulación inmune o una superposición de estos mecanismos⁷. En esta etapa final, la activación de una vía específica de muerte celular depende de muchos factores, como las características celulares, el diseño experimental y, lo más importante, la localización intracelular de PS y el daño dirigido relacionado con PDT¹³.

La verteporfina es un PS de segunda generación, aprobado por las agencias reguladoras para uso clínico en Noruega y China para tratar la degeneración macular relacionada con la edad⁷. Después de la administración de la dosis, se informó que este profármaco se acumuló parcialmente en las mitocondrias¹⁴ e indujo la fosforilación de la proteína tirosina celular y la fragmentación del ADN, lo que llevó a la apoptosis de las células tumorales^15,16. Después de 24 h de incubación para la internalización de verteporfina, se recomienda un protocolo PDT utilizando una configuración de longitud de onda de 690 nm para lograr niveles efectivos de transferencia de radiación electromagnética a moléculas adyacentes ^7,17.

En cuanto a la fuente de luz para PDT, los sistemas láser de diodo clásicos suelen ser caros, técnicamente complicados, de gran tamaño y, por lo tanto, inportátiles^18,19. Como consecuencia de su perfil de longitud de onda única, que también se puede observar en equipos PDT basados en LED, la demanda de unidades independientes para cada aplicación de fotosensibilizador hace que la utilización de sistemas láser de diodo sea aún más compleja y económicamente inviable^20,21. Por lo tanto, la utilización de maquinaria LED se considera la alternativa más prometedora para resolver no solo los costos²² y los problemas de mantenimiento, sino también para proporcionar una alta potencia de salida y menos dañina 23 y una capacidad de iluminación más amplia 24,25,26,27.

A pesar de la contribución potencial que los equipos basados en LED pueden ofrecer a los experimentos PDT²⁸, la mayoría de las opciones comerciales aún poseen inconvenientes como la falta de portabilidad, el alto costo y los complejos proyectos de construcción y operación²⁹. El objetivo principal de este trabajo fue ofrecer una herramienta simple y confiable para ensayos de TFD in vitro . Este documento describe PhotoACT, un dispositivo PDT basado en LED construido internamente, que es económico, fácil de usar y portátil. Como prueba de concepto, se ha demostrado que este dispositivo mejora la citotoxicidad de la verteporfina en un modelo de cultivo celular 2D y, por lo tanto, puede usarse como herramienta de investigación en experimentos PDT.